基于IEEE802.11s協議的彈載組網終端

馮 欣，朱廣華，解 煜，唐 強

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著信息技術的不斷發展，巡飛類彈藥的應用范圍不斷擴大，要求其能夠在更加廣闊的區域內實現實時傳輸大數據量情報信息,并協同完成作戰任務。為適應這一需求，智能化的巡飛彈藥由單一作戰單元向集群化發展。與多枚巡飛彈單獨作戰相比，網絡化協同作戰將大幅度增加其協調控制區域，增強作戰靈活性[1]。彈載終端是建立彈群無線網絡的主要設備，是實現平臺與彈群以及指控中心雙向信息交換的信息化裝備，是建立集群化彈藥的信息基礎，是實現彈與彈之間雙向信息交換的核心技術。通過小型化彈載自組網終端，可以建立彈群內各節點之間實時、可靠的雙向通信與網絡化信息交互鏈路，完成彈間無線鏈路的建立、入網/退網等協議處理、集群內信息中繼、圖像等信息參數的交互以及指令交互等功能，從而實現將集群內各枚導彈所獲得的戰場信息實現資源共享、信息融合以及決策算法等協同處理。

國內目前在彈群組網技術方面，主要還是通過TDMA或FDMA技術,以地面設備為中心，實現彈與彈之間信息的交互。這種組網方式，不僅支持的彈藥集群規模較小，而且彈與彈之間需要依托地面交換設備進行通信，無法為彈藥集群提供動態、靈活、高效的彈間自組織網絡。針對該問題，本文提出了一種基于IEEE802.11s協議的彈載組網終端，并通過實物進行實驗室的組網傳輸驗證。

1 無線Mesh網絡

無線Mesh網絡，即無線網格網絡,它是一種多跳(multi-hop)網絡，是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為接入點(access point，AP)和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。通過呈網狀分布的無線接入點之間的互相協作，網絡的每個節點都可以以多跳的形式，從源節點到目的節點形成多條冗余的通信路徑，具有高帶寬和高頻譜效率優勢。

無線Mesh網絡技術是面向基于IP接入的新型無線移動通信技術，適合區域環境覆蓋和寬帶高速無線接入。無線Mesh網絡中的每個節點都具有路由轉發功能，當最近的節點由于流量過大而導致擁塞時，數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。以此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。因此，無線Mesh網絡是一種動態自組織、自管理、自維護和自我平衡的智能網絡[2]，非常適合用于解決彈群組網問題。

無線Mesh網絡被認為是下一代無線網絡的重要解決方案，因此目前有很多組織正在制定在不同應用場景下的無線Mesh網絡標準，如IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16等。無線Mesh網絡作為一種特殊的無線局域網，在彈載應用場景中，具有網絡生存周期短，可靠性及穩定性要求高的特點，因此，提供低成本數據服務且技術相對成熟的無線局域網標準IEEE802.11更適合作為彈載無線Mesh組網的方案。

2004年初，IEEE802.11WLAN工作組成立了Mesh任務組，編號為“802.11s”。該任務組的工作是擴展IEEE802.11體系和協議，提供ESS(extended service station)的Mesh功能[3]。實際上就是要突破傳統無線局域網中AP功能上的限制，使之具有無線路由器的功能，將業務流轉發給鄰近的AP，并進行一系列的多跳傳輸。這一提案的思想就是擴展802.11MAC協議，建立IEEE802.11WLAN的WDS(wireless distribution system)，在自配置多跳拓撲上，實現在MAC層支持廣播/多播和單播分發。這種方式決定了無線Mesh網絡具有較高的可靠性、較大的伸縮性和較低的成本等特點，而且業務可以自動繞過故障節點，自行調節來實現流量負載平衡。

IEEE802.11s協議無線Mesh網絡包含三種節點類型:

1)Mesh節點(mesh point，MP)：所有支持Mesh功能的設備被稱為MP，可提供全部ESS功能；

2)Mesh接入點(mesh access point，MAP)：MAP是一種特殊的MP,擁有MP的全部功能，并提供接入服務；

3)用戶站(station，STA)：通過MAP接入Mesh網絡的站點。

IEEE802.11s協議無線Mesh網絡架構[4]如圖1所示。

圖1 IEEE802.11s協議無線Mesh網絡構架示意圖Fig.1 Schematic of IEEE802.11s wireless Mesh network architecture

IEEE802.11s協議基于傳統物理層標準，提供WLAN Mesh服務，包括拓撲發現、路徑選擇和轉發、媒體接入協調、Mesh網絡的配置和管理、網絡測量、網絡互連和安全等功能模塊。IEEE802.11s協議框架[5]如圖2所示。

圖2 IEEE802.11s協議框架Fig.2 IEEE802.11s protocol framework

IEEE802.11s標準定義了名為混合無線網狀網協議的路徑選擇協議[6]，這項規范在設計上可以利用自己的協議來選擇路徑，從而使具有可互操作的專有網狀網部署到彈群網絡上成為可能。

2 基于IEEE802.11s協議的彈載組網終端

2.1 彈載組網終端的組網構架

無線Mesh網絡的結構根據節點的功能可大致分為三類：平面型網絡結構、多層次型網絡結構以及混合型網絡結構。針對彈群網絡具有有中心網絡以及無中心無線自組織網絡的特點，彈載組網終端采用分層化的平面型網絡結構。在該網絡結構下，每個終端節點即可作為Mesh接入點(MAP)使用，也可作為用戶站(STA)使用。采用這種組網構架的優勢在于：針對不同規模的彈群，可靈活構建平面型或多層次型的網絡結構。

對于整個彈群網絡，所有節點均應工作在同一頻點，因此相鄰節點之間存在干擾，所有節點不能同時接收或發送，需要在多跳范圍內用CSMA/CA的MAC機制進行協商。而隨著跳數的增加，每個節點分配到的帶寬將急劇下降，實際組網性能也將受到很大限制。

根據不同彈群規模，可以采用無中心的平面型網絡結構和兩層結構的混合網絡結構的組網方式。

當小規模彈群組網時，彈群中總節點數量較少，整個彈群網絡拓撲結構比較簡單，彈間進行數據交互時的路由也相對簡單。為提高系統可靠性，每個彈載終端可作為Mesh接入點使用，形成一個無中心的平面型網絡結構。小規模彈群組網如圖3所示。

圖3 小規模彈群組網示意圖Fig.3 Schematic of small-scale missiles group network

當大規模彈群組網時，彈群中總節點數量較大，整個彈群網絡拓撲結構變得比較復雜，如果再采用無中心的平面型網絡結構，會造成組網和傳輸過程中路由開銷的急劇增大，同時，傳輸過程中多跳次數的增加，也會造成信道帶寬和質量的急速下降。在這種情況下，可將部分彈載終端設為Mesh接入點，作為主節點，其余彈載終端設為用戶站，作為從節點，形成兩層結構的混合網絡。在該網絡模式下，網絡可劃分為多個簇，每個簇由一個Mesh接入點和接入其中的多個的用戶站組成，構成一個有中心的子網絡；各個簇之間通過各自內部的Mesh接入點聯網構成一個無中心的平面型網絡。這種網絡結構可大大簡化組網傳輸中的路由開銷，減少多跳的次數，提高網絡傳輸質量。大規模彈群組網如圖4所示。

圖4 大規模彈群組網示意圖Fig.4 Schematic of large-scale missiles group network

2.2 基于IEEE802.11s協議的彈載組網終端的組成

彈載組網終端由無線路由部件、電源管理部件、射頻部件、存儲部件等組成。其中電源轉換部件為各個部分提供電源轉換及實現電源管理功能，存儲部件主要用于存放常量表、程序代碼等，射頻部件主要實現射頻工作頻率的變換及功率控制，無線路由部件主要實現組網控制與傳輸功能。彈載組網終端框圖如圖5所示。

圖5 彈載組網終端框圖Fig.5 Block diagram of missile-borne networking terminal

無線路由作為組網終端的核心部件，一方面要實現MAC訪問控制及無線傳輸功能；另一方面需要實現自組網和路由傳輸功能。根據IEEE802.11s的協議框架，其傳輸協議和MAC訪問控制協議都應支持IEEE802.11的體系標準，可選的無線傳輸標準有IEEE802.11b/g/n，有線標準為IEEE802.3，傳輸帶寬為20 MHz和40 MHz。因此，為滿足彈載系統對于小型化的設計需求，選擇高通QCA9531芯片作為無線路由部件的硬件核心。QCA9531是一款高度集成化的無線傳輸模塊，支持完整的IEEE802.11b/g/n的協議棧，同時該器件自身提供了一套較完整的通用外圍設備接口，包括UART控制口、1WAN口4LAN口的快速以太網交換機、GPIO以及最大支持512 M的DDR2接口，集成了射頻端的PA及LNA，所以避免了添加、配置附加外圍接口的繁瑣，大大減少了電路板的面積和整個系統的復雜度，還可使整個系統的功耗降至最低。此外，QCA9551內部還集成了MIPS 24K處理器，支持64 bit和32 bit的指令和操作，滿足安全接入協議、路由協議等協議系統的開銷以及應用層二次開發的需求。

無線路由部件框圖如圖6所示。

圖6 無線路由部件框圖Fig.6 Block diagram of wireless router components

2.3 基于IEEE802.11s協議的彈載組網終端的自組網接入及路由算法

彈群網絡是一種可伸縮的、全面的集中式網絡管理系統，良好的規劃和設計是成功部署的先決條件[7]。同時，由于彈藥本身的高機動性，決定了整個彈群網絡是高動態且拓撲結構快速變化。監測網絡并迅速做出糾正行動，對于性能和可靠性至關重要。對于彈群動態網絡系統來說，協議層需要解決的主要包括自組織網絡MAC 接入協議技術與自組織網絡路由協議等技術。

2.3.1自組網接入

IEEE802.11s標準中的物理層繼承了IEEE802.11b/g/n的標準，規定了兩種傳輸方式：DSSS和OFDM。

對比這兩種傳輸方式，顯然，OFDM更適合寬帶傳輸。相較于其他調制技術，OFDM調制具有以下優點[8]:

1)由于各子載波相互正交，使擴頻調制后的頻譜可以部分重疊，從而具有更高的載波頻譜利用率，更適合于高碼率的圖像傳輸；

2)每個子載波可以選擇BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等高速調制。各子載波并行傳輸，減小了對單個載波的依賴性，具有優良的抗多徑衰落能力和對信道變化的自適應能力，抗干擾能力強，更適合于復雜環境下的傳輸系統；

3)繞射性強，穿透性強，能夠在高速移動中穩定的發射和接收，更適合高速移動的傳輸系統。

因此，彈載組網終端選用OFDM的調制方式進行無線傳輸，并在此基礎上，采用速率自適應多跳網絡MAC協議作為彈群網絡的MAC接入協議。速率自適應多跳網絡MAC協議運用自適應調制和編碼技術，根據不同終端報告的信道情況，提供不同的調制方式，且無線設備能夠支持多種調制方式即多種速率，并動態地從中進行選擇。該設計核心思想是允許接收端來選擇合適的數據分組的傳輸速率，通過RTS/CTS分組來攜帶信息進行速率選擇信息的交換，確保了信道質量的評估和傳輸速率的選擇基于接收端的實時狀態，保證了所做的信道評估是實時準確的，因此速率的選擇更為準確。

速率自適應MAC協議幀結構及Mesh幀頭結構如圖7、圖8所示。

圖7 速率自適應MAC協議幀結構Fig.7 Rate adaptive MAC protocol frame structure

圖8 Mesh幀頭結構Fig.8 Mesh frame header structure

2.3.2自組網路由算法

在對自組織網的路由設計中，需要綜合考慮彈群作戰應用需求、網絡能力、自組織網的特點和運行環境、路由協議基本功能等諸多因素[9]。

無線Mesh網絡的很多技術特點和優勢來自于其Mesh網狀連接和尋路，而路由轉發的設計則直接決定Mesh網絡對其網狀連接的利用效率，影響網絡的性能。常用的無線Mesh路由協議可參照Ad Hoc網絡的路由協議，幾種典型的路由協議包括：動態源路由協議(DSR)、目的序列距離矢量路由協議(DSDV)、臨時按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距離矢量路由協議(AODV)等[10]。其中AODV路由協議是一種能夠較好適應無線Mesh網絡自身特點的按需驅動路由協議。該路由協議不需要維護到所有節點的路由，僅在需要時才進行路由獲取，通信結束則不再維護路由，很大程度上節省了網絡資源開銷，非常適用于彈載低功耗的場景。但是，由于彈藥處于高速飛行環境下，網絡拓撲變化頻繁，極易發生鏈路中斷，導致網絡性能迅速下降。

為解決這一問題，本終端采用一種跨層的路由協議設計思想，對AODV協議進行改進。由于彈載組網終端采用了速率自適應多跳MAC協議，協議中對信道質量進行了實時評估，在路由發現階段廣播路由發現請求消息(RREQ)時，通過RREQ消息中添加MAC層的信道質量評估參數方式進行改進。當RREQ到達鄰居節點后，鄰居節點首先根據經典的AODV方式處理RREQ消息，當經典AODV路由算法判定該節點為中間路由節點時，獲取RREQ消息中的信道質量信息，通過閾值判斷機制判斷該路由節點是否為優先路由節點。如果是，則更新RREQ消息并向周圍繼續廣播和轉發數據分組；如果不是優先路由節點，則丟棄該RREQ消息。

3 實驗驗證與結果分析

彈載組網終端實物如圖9所示，實物尺寸為120 mm×76 mm×18 mm，重量為255 g，完全滿足彈載安裝需求。

圖9 彈載組網終端Fig.9 The missile-borne network terminal

為驗證彈載組網終端的實際性能，分別對彈載組網終端進行組網、通信距離及多跳傳輸進行驗證。

3.1 自組網驗證

將組網終端聯入上位機，通過終端應用層的軟件接口，可以獲取網絡的簡易拓撲圖及節點間實時信道傳輸參數。由于彈載組網終端數量有限，本文只對小規模彈群組網進行驗證。

將5個彈載組網終端設置成MAP模式，置于空曠的空間進行組網驗證。組網測試結果如圖10(a)所示?？梢钥吹?，不同節點間由于信道質量不同，通過速率自適應MAC協議，實現了不同的分組傳輸速率。

在1號節點和3號節點之間加入遮擋后，如圖10(b)所示，為保證傳輸質量，通過速率自適應MAC協議，1號節點和3號節點間的傳輸速率由6 Mb/s降到了1 Mb/s。試驗結果表明彈載組網終端能夠實現自組網。

3.2 單點傳輸性能驗證

彈載組網終端的單點傳輸性能，主要驗證其傳輸距離及誤碼率兩個關鍵指標，因此通過兩個節點實際進行遠距離數據傳輸試驗進行驗證。由于彈載組網終端采用了自適應速率的MAC協議，在驗證過程中，通信速率按最低檔的1 Mb/s進行驗證。通過上位機發循環送數據包，每包數據125 B，數據刷新率設置為1 ms，每秒總數據量為1 Mb。測試中所用收發天線增益均為3 dBi。

單點傳輸性能驗證結果如表1所示。

表1 單點傳輸性能驗證結果Tab.1 The results of single point transmission performance

通過遠距離數據傳輸試驗，表明彈載組網終端的單點通信距離在2.5 km以內時，數據傳輸誤碼率優于10-5，可以滿足彈群節點間數據傳輸的要求。

3.3 多跳傳輸性能驗證

無線Mesh網絡作為一種多跳網絡，彈載組網終端的多跳傳輸性能至關重要。多跳傳輸性能主要對多跳傳輸誤碼率及傳輸延遲兩個指標進行驗證。

對于多跳傳輸誤碼率的測試，采用和單點傳輸相同的方法，計算不同跳數下傳輸的誤碼率。由于Mesh網絡隨著跳數的增加，每個節點分配到的帶寬將急劇下降，為保證傳輸質量，一般不宜超過4跳。多跳傳輸誤碼率測試結果如表2所示。

表2 多跳傳輸誤碼率測試結果Tab.2 The results of Multi-hop transmission error rate test

表2的測試結果表明，隨著傳輸跳數的增加，傳輸誤碼率也會隨之顯著增加，但在4跳以內傳輸誤碼率基本滿足10-5。

對于多跳傳輸延遲指標，通過傳輸720P的高清圖像信息進行驗證。在傳輸的圖像信息中加入時間信息，通過接收到的時間信息和現實時間進行對比，獲取傳輸延遲。多跳傳輸延遲及圖像傳輸效果如表3所示。

表3 多跳傳輸延遲及圖像傳輸效果測試結果Tab.3 The results of Multi-hop transmission delay and image transmission test

表3的測試結果表明：彈載組網終端在2跳的情況下，傳輸延遲和傳輸效果良好；在3跳時，圖像傳輸質量開始下降；4跳的情況下，傳輸延遲已經達到360 ms，并且圖像出現卡頓現象。這是由于隨著傳輸跳數的增加，每個彈載組網終端分配到的帶寬已經無法滿足720P高清圖像的傳輸。通過降低圖像的清晰度和幀率，或者采用更好的圖像壓縮算法，適當降低圖像數據的傳輸碼率，可以滿足4跳情況下的圖像傳輸需求。

4 結論

本文提出了基于IEEE802.11s框架設計的彈載組網終端。該彈載組網終端采用無線Mesh組網技術，通過速率自適應的MAC協議，以及跨協議層的AODV路由算法，實現了在高動態環境下，不同規模彈群節點的自組網功能。通過對彈載組網終端實物的自組網功能、單點傳輸性能以及多跳傳輸性能進行測試驗證。測試結果表明，該彈載組網終端傳輸距離、傳輸帶寬及傳輸延遲等方面均能滿足自組網傳輸要求，同時滿足彈載安裝的小型化要求，可以應用到巡飛類彈藥上，使彈藥集群達到靈活、高效組網的目的。